JP3794783B2 - 内燃機関の冷却制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用エンジン等の内燃機関を冷却するための冷却制御装置に関し、特に冷却媒体の流量を制御する制御系に障害等が発生した場合において、機関がオーバヒートとなるのを防止し得るようにした内燃機関の冷却制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等に使用される内燃機関（以下エンジンと称する）においては、これを冷却するために一般にラジエータを用いる水冷式の冷却装置が使用されている。この種の冷却装置においては、冷却水の温度を制御するためにサーモスタットが用いられており、冷却水が所定温度よりも低温の場合には、前記サーモスタットの作用により冷却水をバイパス通路へ流してラジエータを通さずに冷却水を循環させる構造とされている。
図８は、その構成を示したものであり、符号１はシリンダブロック１ａおよびシリンダヘッド１ｂより構成されたエンジンであり、このエンジン１のシリンダブロック１ａおよびシリンダヘッド１ｂ内には矢印ｃで示した流体通路が形成されている。
また２は熱交換機、すなわちラジエータを示し、このラジエータ２には周知のとおり流体通路２ｃが形成されており、ラジエータ２の冷却水入口部２ａおよび冷却水出口部２ｂは、前記エンジン１との間で冷却水を循環させる冷却水路３に接続されている。
【０００３】
冷却水路３は、エンジン１の上部に設けられた冷却水の流出部１ｄからラジエータ２の上部に設けられた冷却水の流入部２ａまで連通する流出側冷却水路３ａと、ラジエータ２の下部に設けられた冷却水の流出部２ｂからエンジン１の下部に設けられた冷却水の流入部１ｅまで連通する流入側冷却水路３ｂと、両冷却水路３ａ，３ｂの途中部位を接続するバイパス水路３ｃより構成されている。
また、冷却水路３における流出側冷却水路３ａとバイパス水路３ｃの分岐部には、サーモスタット４が配置されている。このサーモスタット４は、冷却水温の変化により膨張、収縮する熱膨張体（例えばワックス）を内蔵していて、冷却水温が高いとき（例えば８０℃以上の場合）には、前記熱膨張体の膨張によって弁を開き、エンジン１の流出部１ｄから流出する冷却水を流出側冷却水路３ａを通してラジエータ２に流入できるようにし、ラジエータ２で放熱されて低い温度となった冷却水が流出部２ｂから流出して流入側冷却水路３ｂを通り、エンジン１の流入部１ｅからエンジン１内に流れ込むように作用させるものである。
【０００４】
また、冷却水温が低いときには熱膨張体の収縮によってサーモスタット４の弁は閉じられ、エンジン１の流出部１ｄから流出した冷却水はバイパス水路３ｃを通して、エンジン１の流入部１ｅからエンジン１内の冷却通路ｃに流れ込むようにされている。
なお、図８において符号５はエンジン１の流入部１ｅ部分に配置されたウォーターポンプであり、エンジン１の図示しないクランクシャフトの回転により回転軸が回転されて冷却水を強制的に循環させるものである。また、符号６はラジエータ２に強制的に冷却風を取り入れるためのファンユニットであり、冷却ファン６ａと、これを回転駆動するファンモータ６ｂより構成されている。
【０００５】
前記したようなサーモスタットによる開弁および閉弁作用は冷却水の温度により決定されるものであり、しかもワックス等の熱膨張体による膨張、収縮作用によるものであるため、開弁時の温度および閉弁時の温度が一定ではない。すなわちワックス等の熱膨張体は冷却水の温度変化を受けてから弁が動作するまでにしばらくの時間を要するものであり、特に温度上昇時に比較して温度下降時の応答性が悪く、いわゆるヒステリシス特性を有している。このために、冷却水を所望の一定温度に調節することは極めて困難であるという技術的課題を有している。
【０００６】
そこで、ワックス等の熱膨張体による開弁および閉弁作用を利用せず、電気的に冷却水の流量を制御するようにしたものが提案されている。
これは、モータによりバタフライ弁の回転角を制御するものであり、図８におけるサーモスタット４が除かれ、サーモスタット４の代りにバタフライ弁を備えたバルブユニット７が図８に破線で示すように流出側冷却水路３ａに配置される。
図９はそのバルブユニット７の一例を示したものであり、冷却水路３ａ内に円形平板状のバタフライ弁７ａが支軸７ｂによって回転可能となるように支持されている。この支軸７ｂの一端にはウォームホイル７ｃが取り付けられており、モータ７ｄの回転駆動軸に嵌め込まれたウォーム７ｅが、前記ウォームホイル７ｃに噛み合うように構成されている。
【０００７】
そして、前記モータ７ｄにはエンジン全体の運転状態を制御する制御ユニット（ＥＣＵ）によって、その駆動軸を正転および逆転させる動作電流が供給される。従って、ＥＣＵの作用によりモータ７ｄに対して駆動軸を正転させる電流が供給されると、ウォーム７ｅとウォームホイル７ｃによる周知の減速作用によりバタフライ弁７ａの支軸７ｂが一方向に回転され、これによりバタフライ弁７ａの面方向が冷却水路３ａの水路方向と同一方向に回転されて開弁状態とされる。
また、ＥＣＵの作用によりモータ７ｄに対して駆動軸を逆転させる電流が供給されると、バタフライ弁７ａの支軸７ｂが他方向に回転され、これによりバタフライ弁７ａの面方向が冷却水路３ａの水路方向と直角方向に回転されて閉弁状態とされる。
前記ＥＣＵには、例えばエンジンの冷却水温に関する情報が供給されるようにされており、この情報を利用して前記モータを制御することにより冷却水の温度制御を成することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記したバタフライ弁を用いた冷却制御装置においては、例えばモータの故障、或いはウォームギヤ部分に障害が発生した場合等においては、バタフライ弁の開閉動作が不可能となる。
例えば、バタフライ弁が閉弁状態またはこれに近い中間開度の状態において前記した故障或いは障害が発生した場合には、エンジンの十分な冷却作用が成されず、運転者が認識しない間にエンジンをオーバヒートに至らせる等の技術的課題を有している。
これを避けるために、前記したようなウォームギヤを用いずに、直接バタフライ弁を駆動させるような機構とし、さらにバタフライ弁を開弁状態に付勢するためのリターンスプリングを設けることも考えられる。このように構成することで、障害発生時にはリターンスプリングによる付勢力によって自動的にバタフライ弁を開弁させることができ、これによりエンジンがオーバヒートに至るのを防止することができる。
【０００９】
しかしながら、一般的にバタフライ弁を駆動させようとする場合、例えばバタフライ弁のフリクッションとして０．５Ｋｇ・ｃｍ、冷却水の水圧に対抗する弁のトルクとして２．０Ｋｇ・ｃｍ程度が必要であり、またリターンスプリングに対抗するためのトルクとして２．５Ｋｇ・ｃｍが必要である。
従って、バタフライ弁を駆動させるには５．０Ｋｇ・ｃｍ以上のトルクが必要となる。このような駆動力を与えるためのモータやリニアソレノイド等のアクチェータは勢い大型化せざるを得ず、その占有体積が増大するという課題が発生する。
加えて、アクチェータによりバタフライ弁を直接駆動する前記した構成によると、ある一定の回転角度にバタフライ弁を保持させる場合においては、リターンスプリングの付勢力と、バタフライ弁を駆動するアクチェータからの駆動力によって開弁位置をバランスさせるという駆動形式を採用するために、前記アクチェータに対して常時駆動電流を供給せざるを得ないという課題が発生する。
【００１０】
本発明は以上のような技術的課題を解決するために成されたものであり、例えば流量制御弁の駆動装置部分等の障害発生により、機関をオーバヒートに至らせるなどの問題を未然に防ぎ、フェールセーフ機能を発揮することができる冷却制御装置を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記した課題を解決するためになされた本発明にかかる内燃機関の冷却制御装置は、内燃機関内に形成された流体通路と熱交換機に形成された流体通路との間で冷却媒体の循環路を形成し、前記循環路中に冷却媒体を循環させることによって内燃機関において発生する熱を前記熱交換機によって放熱させるように構成した内燃機関の冷却制御装置であって、内燃機関の運転状態を検出する少なくとも１つの検知センサからの検出信号に応じて制御信号を発生する制御ユニットと、前記制御ユニットからの制御信号に基づいて、回転駆動されるモータと、前記モータの回転数を減速する減速機構と、前記減速機構より得られる回転駆動力により開閉動作し、前記内燃機関と熱交換機間の循環路における冷却媒体の流量を制御する流量制御弁と、前記流量制御弁を開弁方向に付勢するリターンスプリングと、前記内燃機関の異常検知出力を得た場合において、前記モータから流量制御弁に至る制御弁駆動系の結合を解除するクラッチ機構とが具備される。
このような構成により、機関の異常状態においてはクラッチ機構が解除状態とされ、流量制御弁はリターンスプリングの作用により自動的に開弁状態とされる。
【００１２】
この場合、前記流量制御弁は、筒状の冷却媒体通路中に配置され、冷却媒体の流通方向に対して、その平面方向の角度が可変される平板状のバタフライ弁により構成される。このようなバタフライ弁を採用することで、ほぼ９０度の回転角の範囲で開弁および閉弁状態とすることができ、従って減速機構を介した流量制御、並びに異常時におけるリターンスプリングによる開弁作用が円滑に成し得る。
また、前記クラッチ機構は、前記モータの回転軸と前記減速機構との間に介在させることが望ましい。このように構成することで、クラッチ機構に印加される駆動力、すなわちトルクを極端に低下させることが可能であり、クラッチ機構のすべり、損耗が防止でき、またクラッチ機構の小型化を図ることができる。
【００１３】
また、前記異常検知出力は、冷却媒体の温度と、前記制御ユニットに格納された目標設定温度とに基づいて生成されるように構成される。従って、冷却媒体の実際の温度と目標設定温度との差を演算し、ある一定時間経過後、所定温度範囲からはずれた場合には前記制御ユニットは前記流量制御弁が故障と判断することが可能となる。
さらに前記異常検知出力は、冷却媒体の温度と、流量制御弁の回転角度との関係に基づいても生成されるように構成され、この場合、好ましい実施の形態においては前記流量制御弁の回転角度は、流量制御弁の支軸に結合された角度センサより得るように成される。
この構成により角度センサは流量制御弁、すなわちバタライ弁の角度を常にモニターしているので、制御ユニットから出された出力と異なっている場合には異常と判断することができるので、小型にして制御弁の正確な回転角度の情報を得ることができる。
【００１４】
また前記流量制御弁の開弁方向への駆動時において前記モータに発生させる駆動トルクに対し、閉弁方向への駆動時において前記モータに発生させる駆動トルクが大となるように制御される。
この場合、好ましい実施の形態においては、前記モータは直流モータであり、電源の正極端子と負極端子間に直列接続された第１と第２のスイッチング素子および電源の正極端子と負極端子間に直列接続された第３と第４のスイッチング素子によりブリッジ回路が構成され、前記第１と第２のスイッチング素子の接続中点と前記第３と第４のスイッチング素子の接続中点との間に前記直流モータの一対の駆動電流入力端子がそれぞれ接続されると共に、前記第１と第４のスイッチング素子の制御極端子に加えるパルス幅と前記第２と第３のスイッチング素子の制御極端子に加えるパルス幅とが異なるパルス幅になるよう構成される。
このように構成することで、スイッチング素子によるブリッジ回路で、直流モータの正転および逆転の回転制御が成されると共に、スイッチング素子の制御極に与えるパルス幅を変化させることで、トルク特性を制御させることが可能となる。
【００１５】
また、好ましくは冷却媒体の温度に依存して膨張、収縮する熱応動部材がさらに具備され、前記熱応動部材の膨張作用により、前記流量制御弁を支持する支軸と、前記減速機構との結合を解除する切離機構を構成し、前記切離機構の作動により流量制御弁がリターンスプリングにより開弁状態となるように構成される。従って、前記したクラッチ機構の解放によっても回避し得ない異常状態が発生した場合においては、終局的に熱応動部材による切離機構が作動して流量制御弁を解放するため、フェールセーフ機能を一層充実させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる内燃機関の冷却制御装置について、図に示した実施の形態に基づいて説明する。
図１は自動車用エンジンの冷却制御装置に適用した全体構成を示したものである。なお図１において、図８に示した従来の装置と同一符号部分はそれぞれ相当部分を示しており、したがって個々の構成および作用の説明は適宜省略する。
図１に示すように、内燃機関としてのエンジン１の上部に設けられた冷却水の流出部１ｄと、熱交換機としてのラジエータ２の上部に設けられた冷却水の流入部２ａとの間に配置された流出側冷却水路３ａには、流量制御ユニット１１がフランジによって接続されている。
これにより、流量制御ユニット１１を含んだ形で冷却媒体、すなわち冷却水の循環路１２が形成されている。
【００１７】
また、前記エンジン１における冷却水の流出部１ｄには、例えばサーミスタ等の温度検知素子１３が配置されている。この温度検知素子１３による検出値は、変換器１４によって制御ユニット（ＥＣＵ）１５が認識可能なデータに変換され、エンジン全体の運転状態を制御する制御ユニット（ＥＣＵ）１５に供給されるように構成されている。
また、図１に示す実施の形態においては、エンジン１のスロットルバルブ１６の開度を検出するスロットルポジションセンサ１７からのデータも制御ユニット１５に供給されるように構成されている。また、図示していないが前記制御ユニット１５には、他にエンジンの回転数等の情報も供給されるように構成されている。
一方、制御ユニット１５からはモータ制御回路１８並びにクラッチ制御回路１９に対して制御信号が供給されるように成されている。このモータ制御回路１８並びにクラッチ制御回路１９は、バッテリー２０から供給される電流をそれぞれ制御し、流量制御ユニット１１に具備された後述する直流モータ制御回路、並びにクラッチ制御回路に対して制御電流が供給されるように構成されている。
【００１８】
図２は、前記流量制御ユニット１１の構成を模式的に示したものであり、その一部は断面状態で示されている。この流量制御ユニット１１には、直流モータ３１が具備されており、この直流モータ３１の回転軸３１ａには、クラッチ機構３２を構成する第１クラッチ盤３２ａが、回転軸３１ａの回転方向に結合され、かつ軸方向に摺動可能となるように取り付けられている。
図３は、図２におけるＡ−Ａ′部分を矢印方向に視た状態を示したものである。すなわち、前記モータの回転軸３１ａは、その外形が図に示すように六角形に成されており、一方第１クラッチ盤３２ａの中央部には、前記モータの回転軸３１ａを包囲するように六角形の孔が形成されている。
この構成により、第１クラッチ盤３２ａは回転軸３１ａの回転方向に結合され、かつ軸方向に摺動可能となるように作用する。
【００１９】
図２に戻り、前記第１クラッチ盤３２ａの周側面には環状の溝部３２ｂが形成されており、この溝部３２ｂには電磁プランジャ３２ｃの作動子３２ｄの先端部が遊嵌されるように構成されている。そして、プランジャ３２ｃにはコイルスプリング３２ｅが取り付けられており、このコイルスプリング３２ｅの拡開作用によりプランジャ３２ｃに通電しない通常状態においては、図２に示すように第１クラッチ盤３２ａをモータ３１側に引き込むように成されている。
前記第１クラッチ盤３２ａに対向するように第２クラッチ盤３２ｆが配置されており、この第２クラッチ盤３２ｆは、減速機構３３を構成する入力側回転軸３３ｂに固着されている。
前記減速機構３３はケース３３ａに取り付けられた各軸受けにより、前記入力側回転軸３３ｂおよび中間回転軸３３ｃ、出力側回転軸３３ｄが互いに平行状態に配置されている。
そして、入力側回転軸３３ｂにはピニオン３３ｅが固着され、中間回転軸３３ｃに固着された平歯車３３ｆに噛み合うように成され、また中間回転軸３３ｃに固着されたピニオン３３ｇは出力側回転軸３３ｄに固着された平歯車３３ｈに噛み合うように成されている。
【００２０】
この構成により減速機構３３は、その減速比が１／５０程度となるように構成されている。
前記減速機構３３の出力側回転軸３３ｄは、流量制御弁３４の駆動軸に結合されている。流量制御弁３４は、筒状の冷却媒体通路３４ａ中に配置された平板状のバタフライ弁３４ｂにより構成されている。このバタフライ弁３４ｂは、冷却水の流通方向に対して、その平面方向の角度が駆動軸としての支軸３４ｃの回転角により冷却水の流量が制御されるように成される。すなわち、冷却水の流通方向に対して、その平面方向の角度が０度付近で開弁状態となり、冷却水の流通方向に対して、その平面方向の角度が９０度付近で閉弁状態となる。そして、その中間角度を適宜とることにより、冷却水の流量はリニアに制御される。
【００２１】
前記支軸３４ｃにおける減速機構３３側には、カラー３４ｄが支軸３４ｃに対して固着されており、このカラー３４ｄの周側面には、コイル状のリターンスプリング３４ｅが捲装されている。このリターンスプリング３４ｅの一端は、内部に冷却媒体通路３４ａを構成する筒状体の一部に係合されており、リターンスプリング３４ｅの他端は、カラー３４ｄの一部に取り付けられた突出体３４ｆに係合されている。
この状態で前記リターンスプリング３４ｅは、支軸３４ｃに結合されたバタフライ弁３４ｂを開弁状態となるように付勢している。
また前記支軸３４ｃの減速機構３３に対向する他端部には、角度センサ３４ｇが結合されており、バタフライ弁３４ｂの回転角度を認識することができる。
【００２２】
以上のように構成された流量制御ユニット１１において、前記直流モータ３１は図１に示すモータ制御回路１８より駆動電流を受けるように成され、またクラッチ機構３２における電磁プランジャ３２ｃは図１に示すクラッチ制御回路１９より駆動電流を受けるように成され、また角度センサ３４ｇによるバタフライ弁の回転角度に関するデータ出力は図１に示す制御ユニット１５に供給されるように成されている。
従って図２に示す構成において、電磁プランジャ３２ｃに通電されると、その作動子３２ｄは第１クラッチ盤３２ａを、第２クラッチ盤３２ｆ側に移動させて結合状態とする。そして、直流モータ３１に対して駆動電流が供給されると、モータ３１の回転駆動力は減速機構により減速され、支軸３４ｃを介してバタフライ弁３４ｂを回転させる。また支軸３４ｃの回転によって、前記角度センサ３４ｇは回転角度に関するデータを制御ユニット１５にフィードバックさせる。
【００２３】
図４は前記モータ制御回路１８の構成を示した結線図である。このモータ制御回路１８は、電源（バッテリー２０）の正極端子と負極端子（アース）間に直列接続された第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２、および同じく正極端子と負極端子間に直列接続された第３のスイッチング素子Ｑ３と第４のスイッチング素子Ｑ４によりブリッジ回路が構成されている。
これらの各スイッチング素子はＮＰＮ型のバイポーラ型トランジスタにより構成されている。従って第１トランジスタＱ１および第３トランジスタＱ３の各コレクタはバッテリー２０の正極端子に接続され、また、第２トランジスタＱ２および第４トランジスタＱ４の各エミッタはアースに接続されている。
【００２４】
そして、第１トランジスタＱ１のエミッタと第２トランジスタＱ３のコレクタとが接続され、第１接続中点１８ａを構成している。また第３トランジスタＱ３のエミッタと第４トランジスタＱ４のコレクタとが接続され、第２接続中点１８ｂを構成している。
前記第１接続中点１８ａおよび第２接続中点１８ｂとの間には直流モータ３１の一対の駆動電流入力端子がそれぞれ接続されている。
また第１および第４トランジスタＱ１，Ｑ４の制御極端子、すなわちベースは互いに結合されて入力端子ａを構成しており、第２および第３トランジスタＱ２，Ｑ３のベースは互いに結合されて入力端子ｂを構成している。
【００２５】
図５は、図４における入力端子ａおよび入力端子ｂに対して前記制御ユニット１５から択一的に与えられるスイッチ制御信号を示したものである。
この制御信号はパルス波形に成されており、閉弁時においては入力端子ａのみに対して大きなパルス幅（Ｗ１）の制御信号が、また開弁時においては入力端子ｂのみに対して小さなパルス幅（Ｗ２）の制御信号が与えられる。
すなわち前記バタフライ弁３４ｂを開弁させようとする時は、リターンスプリング３４ｅのリターン方向のトルクを利用して小なるパルス幅にて、有効駆動させるようにされている。
ここで、前記バタフライ弁３４ｂを閉弁させようとする場合には、図４に示す端子ａに対して図５に閉弁時（ａ）として示したパルス幅の大きなスイッチ制御信号が供給される。従ってトランジスタＱ１およびＱ４は図５（ａ）に示すパルス幅の大きなスイッチ制御信号によりオン制御が成され、モータ３１を一方向に回転駆動させる。この場合にはモータ３１に流れる駆動電流の導通角が大であるため、モータ３１の回転トルクは増大される。
また、前記バタフライ弁３４ｂを開弁させようとする場合には、図４に示す端子ｂに対して図５に開弁時（ｂ）として示したパルス幅の小さいスイッチ制御信号が供給される。従ってトランジスタＱ２およびＱ３は図５（ｂ）に示すパルス幅の小さなスイッチ制御信号によりオン制御が成され、モータ３１を逆方向に回転駆動させる。この場合にはモータ３１に流れる駆動電流の導通角が小であるため、モータ３１の回転トルクは減少される。
【００２６】
このような構成により、前記バタフライ弁３４ｂの閉弁に際しては、バタフライ弁３４ｂの駆動トルクが大に成され、前記リターンスプリング３４ｅによる開弁方向への付勢力に対向してバタフライ弁３４ｂが駆動される。また、前記バタフライ弁３４ｂの開弁に際しては、バタフライ弁３４ｂの駆動トルクが小に成され、前記リターンスプリング３４ｅによる開弁方向への付勢力と共にバタフライ弁３４ｂが駆動される。
【００２７】
以上、図１乃至図５に示した構成において、エンジン１が起動されると、制御ユニット１５からクラッチ制御回路１９に対して制御信号が供給される。これに伴い、バッテリー２０より流量制御ユニット１１における電磁プランジャ３２ｃに対して通電され、第１クラッチ盤３２ａが第２クラッチ盤３２ｆに結合される。一方、エンジンから流出する冷却水の温度を検出する温度検知素子１３からの温度情報が変換器１４を介して前記制御ユニット１５に供給される。
従ってエンジン１の運転により冷却水の温度が上昇すると、制御ユニット１５からは冷却水の温度に対応したバタフライ弁３４ｂの制御信号が発生し、その制御信号はモータ制御回路１８に供給され、これによりモータ制御回路１８は流量制御ユニット１１における直流モータ３１を駆動する。この結果、バタフライ弁３４ｂは目標設定温度になるよう制御され、これによりエンジンを所定の温度となるように冷却する。
ここで、制御ユニット１５においては、温度検知素子１３によって得られる実際の冷却水温度Ｔｗと、制御ユニット１５に格納されている目標設定水温、すなわち最適な冷却水温Ｔｓとを比較する。そして、その差であるΔＴ＝Ｔｗ−Ｔｓを演算し、ある一定時間経過後、その演算結果が所定よりも大きくなった場合、すなわち所定温度範囲からはずれた場合には制御ユニット１５は異常状態であると判定し、異常検知出力を発生する。
【００２８】
また、前記制御ユニット１５には流量制御ユニット１１に配置されたバタフライ弁３４ｂの回転角度の情報が角度センサ３４ｇより供給されている。そして制御ユニット１５においては、温度検知素子１３により得られる冷却水の温度情報と、角度センサ３４ｇより得られるバタフライ弁３４ｂの回転角度の情報とを常時比較演算している。
従って、角度センサ３４ｇから得られるバタフライ弁３４ｂの回転角度と、温度検知素子１３により得られる冷却水の温度情報との関係が、所定以上異なる場合においては、制御ユニット１５は異常状態と判定し、異常検知出力を発生する。この場合、制御ユニット１５には冷却水温度に対するバタフライ弁３４ｂの回転角度の許容範囲が例えばテーブル形式で格納されており、従って、比較的単純な演算プログラムにより、異常状態か否かを判定することができる。
【００２９】
前記したように制御ユニット１５において、ΔＴ＝Ｔｗ−Ｔｓの演算を成し、その結果に基づいて異常検知出力を発生させる機能に加え、前記角度センサ３４ｇより得られるバタフライ弁３４ｂの回転角度の情報も利用して異常検知出力を発生させることで、フェールセーフ機能をより充実させることができる。
このようにして異常検知出力が発生すると、この異常検知出力に基づいてクラッチ制御回路１９が動作され、流量制御ユニット１１における電磁プランジャ３２ｃに対する通電が遮断される。それ故、第１クラッチ盤３２ａと第２クラッチ盤３２ｆとの連結が解除され、これに伴い、バタフライ弁３４ｂはリターンスプリング３４ｅの作用により開弁状態になされる。従って冷却水の循環が促進され、エンジンがオーバヒート状態に至るのを防止することができる。
なお、前記リターンスプリング３４ｅによりバタフライ弁３４ｂを開弁させる場合には、減速機構３３における各平歯車およびピニオン等も駆動することとなる。しかしながらクラッチ機構が解放されている状態においては、これらを回転させるための負荷はそれ程大きなものではない。
【００３０】
次に図６は、図２に示した流量制御ユニット１１に対して、さらに熱応動部材によって制御される切離機構を配置した構成を示したものである。なお、図６において図２と同一部分または相当部分を同一符号で示しており、従ってその説明は省略する。
この切離機構３５は、減速機構３３と流量制御弁３４との間に配置されている。図６に示すようにバタフライ弁３４ｂの支軸３４ｃに対してカップ状のサーモエレメント３５ａが一体に結合されている。サーモエレメント３５ａ内には温度に依存して膨張、収縮する熱応動部材としてのワックス３５ｂが支承板３５ｃによって封入されている。前記支承板３５ｃにはロッド状のピストン３５ｄの一端が取り付けられており、ピストン３５ｄの他端はサーモエレメント３５ａに形成された縮径部３５ｅの内面に形成されたピストンガイドを通り外部に突出されている。
前記サーモエレメント３５ａにおける縮径部３５ｅの外周面は、その軸方向に直角に切断した断面形状が例えば六角形に成されている。一方３５ｆは可動体であり、その軸方向の両端側にそれぞれ内側面が例えば六角形に成され軸孔３５ｇ，３５ｈが形成されている。
【００３１】
図６に示す状態においては、前記サーモエレメント３５ａにおける縮径部３５ｅと、可動体３５ｆの軸孔３５ｇが連結された状況を示しており、互いに六角形に成され縮径部３５ｅと軸孔３５ｇとで、回転方向に結合され、かつ軸方向に摺動可能となるように構成されている。すなわち図３に示したクラッチ盤の保持と同様な構成とされている。
一方、減速機構３３における出力側回転軸３３ｄには、その軸方向に直角に切断した断面形状が例えば六角形に成された軸３５ｊが直結されており、この軸３５ｊは可動体３５ｆの軸孔３５ｈに嵌入されている。軸３５ｊと軸孔３５ｈとは、図３に示したクラッチ盤の保持と同様な構成とされ、回転方向に結合されると共に軸方向に摺動可能になされている。
そして、軸孔３５ｈ内にはコイルスプリング３５ｉが圧縮状態で収納され、可動体３５ｆをピストン３５ｄ側に押し込む方向に付勢している。
【００３２】
図６に示した構成において、サーモエレメントを３５ａには冷却媒体通路３４ａを流れる冷却水よりバタフライ弁３４ｂの支軸３４ｃを介して熱伝導される。しかし、冷却水の温度が定常の範囲にある場合においては、図６に示したように切離機構３５は連結状態を保ち、冷却水の温度に依存したバタフライ弁３４ｂの開閉動作がなされる。
ここで、冷却水の温度が異常に上昇した場合には、サーモエレメントを３５ａに収納されたワックス３５ｂが膨張し、ピストン３５ｄにより可動体３５ｆを押し上げる。
図７は冷却水の温度が異常に上昇した場合に切離機構３５が動作した状態を示したものである。すなわち、図７に示すようにピストン３５ｄの矢印Ｂ方向への移動により可動体３５ｆは押し上げられ、サーモエレメントの縮径部３５ｅと、可動体の軸孔３５ｇとの結合が切離される。
【００３３】
従って、バタフライ弁３４ｂはリターンスプリング３４ｅの作用により開弁状態になされ、従って冷却水の循環が促進され、エンジンがオーバヒート状態に至るのを防止することができる。
なお、前記切離機構３５はその熱応動部材としてワックスを用いているので、冷却水が定常温度に戻ることにより再び図６に示すように連結状態に復帰させることが可能である。
このような切離機構３５を配置したことにより、前記したクラッチ機構が解放できないような障害、または減速機構がロック状態に陥った場合等においても、終局的に切離機構３５が作動してバタフライ弁３４ｂがリターンスプリング３４ｅにより解放されるため、フェールセーフ機能を一層充実させることができる。
【００３４】
なお、以上の説明においては、冷却水の温度を検知してバタフライ弁の回転角度を制御する場合を例にしているが、これに加えてスロットルバルブの開度およびエンジンの回転数またはその他のパラメータも併用することができる。
また、前記したクラッチ機構を解放する場合においても、冷却水の温度情報と角度センサより得られるバタフライ弁の回転角度の情報とを比較演算するだけでなく、この演算にスロットルバルブの開度およびエンジンの回転数またはその他のパラメータも併用することができる。
また以上は、本発明の冷却制御装置を自動車用エンジンに適用した実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこのような特定なものに限られることなく、その他の内燃機関に適用することで、同様の作用効果を得ることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明にかかる内燃機関の冷却制御装置によると、モータの回転を減速する減速機構によって例えばバタライ弁等の流量制御弁を回転制御するようにし、内燃機関の異常検知出力を得た場合において、クラッチ機構を解放させることにより、バタライ弁をリターンスプリングによって自動的に開弁させるように構成したので、機関がオーバーヒートに至るのを防止させることができる。
また、クラッチ機構をモータと減速機構との間に配置することにより、クラッチ機構にかかる負荷を軽減させることができるため、小型のクラッチ機構を採用しつつ耐久性を得ることができる。従って装置の小型化を図ると共に信頼性を向上させることが可能となる。
さらに、減速機構と流量制御弁との間に熱応動型の切離機構を配置することにより、終局的には切離機構が動作して流量制御弁が開弁状態とされるので、フェールセーフ機能を一層充実させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る冷却制御装置における実施の形態を示した構成図である。
【図２】図１に示す装置に用いられる流量制御ユニットを一部断面状態で示した構成図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ′部分の拡大断面図である。
【図４】図１に示す装置に用いられるモータ駆動回路を示す結線図である。
【図５】図４に示すモータ駆動回路に与えられる制御信号の例を示した波形図である。
【図６】図２に示す流量制御ユニットに対して切離機構を配置した状態を示す構成図である。
【図７】図６に示す切離機構の動作状態を示した構成図である。
【図８】従来の冷却制御装置の一例を示した構成図である。
【図９】従来のバタフライ弁による流量制御装置の例を一部断面状態で示した構成図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関（エンジン）
２ 熱交換機（ラジエータ）
２ｃ 流体通路
３ 冷却水路
５ ウォータポンプ
６ ファンユニット
１１ 流量制御ユニット
１２ 冷却媒体循環路
１３ 温度検知素子
１５ 制御ユニット（ＥＣＵ）
１６ スロットルバルブ
１７ スロットルポジションセンサ
１８ モータ制御回路
１９ クラッチ制御回路
２０ バッテリー
３１ モータ（直流モータ）
３２ クラッチ機構
３２ａ 第１クラッチ盤
３２ｃ 電磁プランジャ
３２ｆ 第２クラッチ盤
３３ 減速機構
３４ 流量制御弁
３４ａ 冷却媒体通路
３４ｂ バタフライ弁
３４ｃ 支軸
３４ｅ リターンスプリング
３４ｇ 角度センサ
３５ 切離機構
３５ａ サーモエレメント
３５ｂ ワックス
３５ｄ ピストン
３５ｆ 可動体
３５ｇ 軸孔
３５ｈ 軸孔
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用エンジン等の内燃機関を冷却するための冷却制御装置に関し、特に冷却媒体の流量を制御する制御系に障害等が発生した場合において、機関がオーバヒートとなるのを防止し得るようにした内燃機関の冷却制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等に使用される内燃機関（以下エンジンと称する）においては、これを冷却するために一般にラジエータを用いる水冷式の冷却装置が使用されている。この種の冷却装置においては、冷却水の温度を制御するためにサーモスタットが用いられており、冷却水が所定温度よりも低温の場合には、前記サーモスタットの作用により冷却水をバイパス通路へ流してラジエータを通さずに冷却水を循環させる構造とされている。
図８は、その構成を示したものであり、符号１はシリンダブロック１ａおよびシリンダヘッド１ｂより構成されたエンジンであり、このエンジン１のシリンダブロック１ａおよびシリンダヘッド１ｂ内には矢印ｃで示した流体通路が形成されている。
また２は熱交換機、すなわちラジエータを示し、このラジエータ２には周知のとおり流体通路２ｃが形成されており、ラジエータ２の冷却水入口部２ａおよび冷却水出口部２ｂは、前記エンジン１との間で冷却水を循環させる冷却水路３に接続されている。
【０００３】
冷却水路３は、エンジン１の上部に設けられた冷却水の流出部１ｄからラジエータ２の上部に設けられた冷却水の流入部２ａまで連通する流出側冷却水路３ａと、ラジエータ２の下部に設けられた冷却水の流出部２ｂからエンジン１の下部に設けられた冷却水の流入部１ｅまで連通する流入側冷却水路３ｂと、両冷却水路３ａ，３ｂの途中部位を接続するバイパス水路３ｃより構成されている。
また、冷却水路３における流出側冷却水路３ａとバイパス水路３ｃの分岐部には、サーモスタット４が配置されている。このサーモスタット４は、冷却水温の変化により膨張、収縮する熱膨張体（例えばワックス）を内蔵していて、冷却水温が高いとき（例えば８０℃以上の場合）には、前記熱膨張体の膨張によって弁を開き、エンジン１の流出部１ｄから流出する冷却水を流出側冷却水路３ａを通してラジエータ２に流入できるようにし、ラジエータ２で放熱されて低い温度となった冷却水が流出部２ｂから流出して流入側冷却水路３ｂを通り、エンジン１の流入部１ｅからエンジン１内に流れ込むように作用させるものである。
【０００４】
また、冷却水温が低いときには熱膨張体の収縮によってサーモスタット４の弁は閉じられ、エンジン１の流出部１ｄから流出した冷却水はバイパス水路３ｃを通して、エンジン１の流入部１ｅからエンジン１内の冷却通路ｃに流れ込むようにされている。
なお、図８において符号５はエンジン１の流入部１ｅ部分に配置されたウォーターポンプであり、エンジン１の図示しないクランクシャフトの回転により回転軸が回転されて冷却水を強制的に循環させるものである。また、符号６はラジエータ２に強制的に冷却風を取り入れるためのファンユニットであり、冷却ファン６ａと、これを回転駆動するファンモータ６ｂより構成されている。
【０００５】
前記したようなサーモスタットによる開弁および閉弁作用は冷却水の温度により決定されるものであり、しかもワックス等の熱膨張体による膨張、収縮作用によるものであるため、開弁時の温度および閉弁時の温度が一定ではない。すなわちワックス等の熱膨張体は冷却水の温度変化を受けてから弁が動作するまでにしばらくの時間を要するものであり、特に温度上昇時に比較して温度下降時の応答性が悪く、いわゆるヒステリシス特性を有している。このために、冷却水を所望の一定温度に調節することは極めて困難であるという技術的課題を有している。
【０００６】
そこで、ワックス等の熱膨張体による開弁および閉弁作用を利用せず、電気的に冷却水の流量を制御するようにしたものが提案されている。
これは、モータによりバタフライ弁の回転角を制御するものであり、図８におけるサーモスタット４が除かれ、サーモスタット４の代りにバタフライ弁を備えたバルブユニット７が図８に破線で示すように流出側冷却水路３ａに配置される。
図９はそのバルブユニット７の一例を示したものであり、冷却水路３ａ内に円形平板状のバタフライ弁７ａが支軸７ｂによって回転可能となるように支持されている。この支軸７ｂの一端にはウォームホイル７ｃが取り付けられており、モータ７ｄの回転駆動軸に嵌め込まれたウォーム７ｅが、前記ウォームホイル７ｃに噛み合うように構成されている。
【０００７】
そして、前記モータ７ｄにはエンジン全体の運転状態を制御する制御ユニット（ＥＣＵ）によって、その駆動軸を正転および逆転させる動作電流が供給される。従って、ＥＣＵの作用によりモータ７ｄに対して駆動軸を正転させる電流が供給されると、ウォーム７ｅとウォームホイル７ｃによる周知の減速作用によりバタフライ弁７ａの支軸７ｂが一方向に回転され、これによりバタフライ弁７ａの面方向が冷却水路３ａの水路方向と同一方向に回転されて開弁状態とされる。
また、ＥＣＵの作用によりモータ７ｄに対して駆動軸を逆転させる電流が供給されると、バタフライ弁７ａの支軸７ｂが他方向に回転され、これによりバタフライ弁７ａの面方向が冷却水路３ａの水路方向と直角方向に回転されて閉弁状態とされる。
前記ＥＣＵには、例えばエンジンの冷却水温に関する情報が供給されるようにされており、この情報を利用して前記モータを制御することにより冷却水の温度制御を成することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記したバタフライ弁を用いた冷却制御装置においては、例えばモータの故障、或いはウォームギヤ部分に障害が発生した場合等においては、バタフライ弁の開閉動作が不可能となる。
例えば、バタフライ弁が閉弁状態またはこれに近い中間開度の状態において前記した故障或いは障害が発生した場合には、エンジンの十分な冷却作用が成されず、運転者が認識しない間にエンジンをオーバヒートに至らせる等の技術的課題を有している。
これを避けるために、前記したようなウォームギヤを用いずに、直接バタフライ弁を駆動させるような機構とし、さらにバタフライ弁を開弁状態に付勢するためのリターンスプリングを設けることも考えられる。このように構成することで、障害発生時にはリターンスプリングによる付勢力によって自動的にバタフライ弁を開弁させることができ、これによりエンジンがオーバヒートに至るのを防止することができる。
【０００９】
しかしながら、一般的にバタフライ弁を駆動させようとする場合、例えばバタフライ弁のフリクッションとして０．５Ｋｇ・ｃｍ、冷却水の水圧に対抗する弁のトルクとして２．０Ｋｇ・ｃｍ程度が必要であり、またリターンスプリングに対抗するためのトルクとして２．５Ｋｇ・ｃｍが必要である。
従って、バタフライ弁を駆動させるには５．０Ｋｇ・ｃｍ以上のトルクが必要となる。このような駆動力を与えるためのモータやリニアソレノイド等のアクチェータは勢い大型化せざるを得ず、その占有体積が増大するという課題が発生する。
加えて、アクチェータによりバタフライ弁を直接駆動する前記した構成によると、ある一定の回転角度にバタフライ弁を保持させる場合においては、リターンスプリングの付勢力と、バタフライ弁を駆動するアクチェータからの駆動力によって開弁位置をバランスさせるという駆動形式を採用するために、前記アクチェータに対して常時駆動電流を供給せざるを得ないという課題が発生する。
【００１０】
本発明は以上のような技術的課題を解決するために成されたものであり、例えば流量制御弁の駆動装置部分等の障害発生により、機関をオーバヒートに至らせるなどの問題を未然に防ぎ、フェールセーフ機能を発揮することができる冷却制御装置を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記した課題を解決するためになされた本発明にかかる内燃機関の冷却制御装置は、内燃機関内に形成された流体通路と熱交換機に形成された流体通路との間で冷却媒体の循環路を形成し、前記循環路中に冷却媒体を循環させることによって内燃機関において発生する熱を前記熱交換機によって放熱させるように構成した内燃機関の冷却制御装置であって、内燃機関の運転状態を検出する少なくとも１つの検知センサからの検出信号に応じて制御信号を発生する制御ユニットと、前記制御ユニットからの制御信号に基づいて、回転駆動されるモータと、前記モータの回転数を減速する減速機構と、前記減速機構より得られる回転駆動力により開閉動作し、前記内燃機関と熱交換機間の循環路における冷却媒体の流量を制御する流量制御弁と、前記流量制御弁を開弁方向に付勢するリターンスプリングと、前記内燃機関の異常検知出力を得た場合において、前記モータから流量制御弁に至る制御弁駆動系の結合を解除するクラッチ機構とが具備される。
このような構成により、機関の異常状態においてはクラッチ機構が解除状態とされ、流量制御弁はリターンスプリングの作用により自動的に開弁状態とされる。
【００１２】
この場合、前記流量制御弁は、筒状の冷却媒体通路中に配置され、冷却媒体の流通方向に対して、その平面方向の角度が可変される平板状のバタフライ弁により構成される。このようなバタフライ弁を採用することで、ほぼ９０度の回転角の範囲で開弁および閉弁状態とすることができ、従って減速機構を介した流量制御、並びに異常時におけるリターンスプリングによる開弁作用が円滑に成し得る。
また、前記クラッチ機構は、前記モータの回転軸と前記減速機構との間に介在させることが望ましい。このように構成することで、クラッチ機構に印加される駆動力、すなわちトルクを極端に低下させることが可能であり、クラッチ機構のすべり、損耗が防止でき、またクラッチ機構の小型化を図ることができる。
【００１３】
また、前記異常検知出力は、冷却媒体の温度と、前記制御ユニットに格納された目標設定温度とに基づいて生成されるように構成される。従って、冷却媒体の実際の温度と目標設定温度との差を演算し、ある一定時間経過後、所定温度範囲からはずれた場合には前記制御ユニットは前記流量制御弁が故障と判断することが可能となる。
さらに前記異常検知出力は、冷却媒体の温度と、流量制御弁の回転角度との関係に基づいても生成されるように構成され、この場合、好ましい実施の形態においては前記流量制御弁の回転角度は、流量制御弁の支軸に結合された角度センサより得るように成される。
この構成により角度センサは流量制御弁、すなわちバタライ弁の角度を常にモニターしているので、制御ユニットから出された出力と異なっている場合には異常と判断することができるので、小型にして制御弁の正確な回転角度の情報を得ることができる。
【００１４】
また前記流量制御弁の開弁方向への駆動時において前記モータに発生させる駆動トルクに対し、閉弁方向への駆動時において前記モータに発生させる駆動トルクが大となるように制御される。
この場合、好ましい実施の形態においては、前記モータは直流モータであり、電源の正極端子と負極端子間に直列接続された第１と第２のスイッチング素子および電源の正極端子と負極端子間に直列接続された第３と第４のスイッチング素子によりブリッジ回路が構成され、前記第１と第２のスイッチング素子の接続中点と前記第３と第４のスイッチング素子の接続中点との間に前記直流モータの一対の駆動電流入力端子がそれぞれ接続されると共に、前記第１と第４のスイッチング素子の制御極端子に加えるパルス幅と前記第２と第３のスイッチング素子の制御極端子に加えるパルス幅とが異なるパルス幅になるよう構成される。
このように構成することで、スイッチング素子によるブリッジ回路で、直流モータの正転および逆転の回転制御が成されると共に、スイッチング素子の制御極に与えるパルス幅を変化させることで、トルク特性を制御させることが可能となる。
【００１５】
また、好ましくは冷却媒体の温度に依存して膨張、収縮する熱応動部材がさらに具備され、前記熱応動部材の膨張作用により、前記流量制御弁を支持する支軸と、前記減速機構との結合を解除する切離機構を構成し、前記切離機構の作動により流量制御弁がリターンスプリングにより開弁状態となるように構成される。従って、前記したクラッチ機構の解放によっても回避し得ない異常状態が発生した場合においては、終局的に熱応動部材による切離機構が作動して流量制御弁を解放するため、フェールセーフ機能を一層充実させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる内燃機関の冷却制御装置について、図に示した実施の形態に基づいて説明する。
図１は自動車用エンジンの冷却制御装置に適用した全体構成を示したものである。なお図１において、図８に示した従来の装置と同一符号部分はそれぞれ相当部分を示しており、したがって個々の構成および作用の説明は適宜省略する。
図１に示すように、内燃機関としてのエンジン１の上部に設けられた冷却水の流出部１ｄと、熱交換機としてのラジエータ２の上部に設けられた冷却水の流入部２ａとの間に配置された流出側冷却水路３ａには、流量制御ユニット１１がフランジによって接続されている。
これにより、流量制御ユニット１１を含んだ形で冷却媒体、すなわち冷却水の循環路１２が形成されている。
【００１７】
また、前記エンジン１における冷却水の流出部１ｄには、例えばサーミスタ等の温度検知素子１３が配置されている。この温度検知素子１３による検出値は、変換器１４によって制御ユニット（ＥＣＵ）１５が認識可能なデータに変換され、エンジン全体の運転状態を制御する制御ユニット（ＥＣＵ）１５に供給されるように構成されている。
また、図１に示す実施の形態においては、エンジン１のスロットルバルブ１６の開度を検出するスロットルポジションセンサ１７からのデータも制御ユニット１５に供給されるように構成されている。また、図示していないが前記制御ユニット１５には、他にエンジンの回転数等の情報も供給されるように構成されている。
一方、制御ユニット１５からはモータ制御回路１８並びにクラッチ制御回路１９に対して制御信号が供給されるように成されている。このモータ制御回路１８並びにクラッチ制御回路１９は、バッテリー２０から供給される電流をそれぞれ制御し、流量制御ユニット１１に具備された後述する直流モータ制御回路、並びにクラッチ制御回路に対して制御電流が供給されるように構成されている。
【００１８】
図２は、前記流量制御ユニット１１の構成を模式的に示したものであり、その一部は断面状態で示されている。この流量制御ユニット１１には、直流モータ３１が具備されており、この直流モータ３１の回転軸３１ａには、クラッチ機構３２を構成する第１クラッチ盤３２ａが、回転軸３１ａの回転方向に結合され、かつ軸方向に摺動可能となるように取り付けられている。
図３は、図２におけるＡ−Ａ′部分を矢印方向に視た状態を示したものである。すなわち、前記モータの回転軸３１ａは、その外形が図に示すように六角形に成されており、一方第１クラッチ盤３２ａの中央部には、前記モータの回転軸３１ａを包囲するように六角形の孔が形成されている。
この構成により、第１クラッチ盤３２ａは回転軸３１ａの回転方向に結合され、かつ軸方向に摺動可能となるように作用する。
【００１９】
図２に戻り、前記第１クラッチ盤３２ａの周側面には環状の溝部３２ｂが形成されており、この溝部３２ｂには電磁プランジャ３２ｃの作動子３２ｄの先端部が遊嵌されるように構成されている。そして、プランジャ３２ｃにはコイルスプリング３２ｅが取り付けられており、このコイルスプリング３２ｅの拡開作用によりプランジャ３２ｃに通電しない通常状態においては、図２に示すように第１クラッチ盤３２ａをモータ３１側に引き込むように成されている。
前記第１クラッチ盤３２ａに対向するように第２クラッチ盤３２ｆが配置されており、この第２クラッチ盤３２ｆは、減速機構３３を構成する入力側回転軸３３ｂに固着されている。
前記減速機構３３はケース３３ａに取り付けられた各軸受けにより、前記入力側回転軸３３ｂおよび中間回転軸３３ｃ、出力側回転軸３３ｄが互いに平行状態に配置されている。
そして、入力側回転軸３３ｂにはピニオン３３ｅが固着され、中間回転軸３３ｃに固着された平歯車３３ｆに噛み合うように成され、また中間回転軸３３ｃに固着されたピニオン３３ｇは出力側回転軸３３ｄに固着された平歯車３３ｈに噛み合うように成されている。
【００２０】
この構成により減速機構３３は、その減速比が１／５０程度となるように構成されている。
前記減速機構３３の出力側回転軸３３ｄは、流量制御弁３４の駆動軸に結合されている。流量制御弁３４は、筒状の冷却媒体通路３４ａ中に配置された平板状のバタフライ弁３４ｂにより構成されている。このバタフライ弁３４ｂは、冷却水の流通方向に対して、その平面方向の角度が駆動軸としての支軸３４ｃの回転角により冷却水の流量が制御されるように成される。すなわち、冷却水の流通方向に対して、その平面方向の角度が０度付近で開弁状態となり、冷却水の流通方向に対して、その平面方向の角度が９０度付近で閉弁状態となる。そして、その中間角度を適宜とることにより、冷却水の流量はリニアに制御される。
【００２１】
前記支軸３４ｃにおける減速機構３３側には、カラー３４ｄが支軸３４ｃに対して固着されており、このカラー３４ｄの周側面には、コイル状のリターンスプリング３４ｅが捲装されている。このリターンスプリング３４ｅの一端は、内部に冷却媒体通路３４ａを構成する筒状体の一部に係合されており、リターンスプリング３４ｅの他端は、カラー３４ｄの一部に取り付けられた突出体３４ｆに係合されている。
この状態で前記リターンスプリング３４ｅは、支軸３４ｃに結合されたバタフライ弁３４ｂを開弁状態となるように付勢している。
また前記支軸３４ｃの減速機構３３に対向する他端部には、角度センサ３４ｇが結合されており、バタフライ弁３４ｂの回転角度を認識することができる。
【００２２】
以上のように構成された流量制御ユニット１１において、前記直流モータ３１は図１に示すモータ制御回路１８より駆動電流を受けるように成され、またクラッチ機構３２における電磁プランジャ３２ｃは図１に示すクラッチ制御回路１９より駆動電流を受けるように成され、また角度センサ３４ｇによるバタフライ弁の回転角度に関するデータ出力は図１に示す制御ユニット１５に供給されるように成されている。
従って図２に示す構成において、電磁プランジャ３２ｃに通電されると、その作動子３２ｄは第１クラッチ盤３２ａを、第２クラッチ盤３２ｆ側に移動させて結合状態とする。そして、直流モータ３１に対して駆動電流が供給されると、モータ３１の回転駆動力は減速機構により減速され、支軸３４ｃを介してバタフライ弁３４ｂを回転させる。また支軸３４ｃの回転によって、前記角度センサ３４ｇは回転角度に関するデータを制御ユニット１５にフィードバックさせる。
【００２３】
図４は前記モータ制御回路１８の構成を示した結線図である。このモータ制御回路１８は、電源（バッテリー２０）の正極端子と負極端子（アース）間に直列接続された第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２、および同じく正極端子と負極端子間に直列接続された第３のスイッチング素子Ｑ３と第４のスイッチング素子Ｑ４によりブリッジ回路が構成されている。
これらの各スイッチング素子はＮＰＮ型のバイポーラ型トランジスタにより構成されている。従って第１トランジスタＱ１および第３トランジスタＱ３の各コレクタはバッテリー２０の正極端子に接続され、また、第２トランジスタＱ２および第４トランジスタＱ４の各エミッタはアースに接続されている。
【００２４】
そして、第１トランジスタＱ１のエミッタと第２トランジスタＱ３のコレクタとが接続され、第１接続中点１８ａを構成している。また第３トランジスタＱ３のエミッタと第４トランジスタＱ４のコレクタとが接続され、第２接続中点１８ｂを構成している。
前記第１接続中点１８ａおよび第２接続中点１８ｂとの間には直流モータ３１の一対の駆動電流入力端子がそれぞれ接続されている。
また第１および第４トランジスタＱ１，Ｑ４の制御極端子、すなわちベースは互いに結合されて入力端子ａを構成しており、第２および第３トランジスタＱ２，Ｑ３のベースは互いに結合されて入力端子ｂを構成している。
【００２５】
図５は、図４における入力端子ａおよび入力端子ｂに対して前記制御ユニット１５から択一的に与えられるスイッチ制御信号を示したものである。
この制御信号はパルス波形に成されており、閉弁時においては入力端子ａのみに対して大きなパルス幅（Ｗ１）の制御信号が、また開弁時においては入力端子ｂのみに対して小さなパルス幅（Ｗ２）の制御信号が与えられる。
すなわち前記バタフライ弁３４ｂを開弁させようとする時は、リターンスプリング３４ｅのリターン方向のトルクを利用して小なるパルス幅にて、有効駆動させるようにされている。
ここで、前記バタフライ弁３４ｂを閉弁させようとする場合には、図４に示す端子ａに対して図５に閉弁時（ａ）として示したパルス幅の大きなスイッチ制御信号が供給される。従ってトランジスタＱ１およびＱ４は図５（ａ）に示すパルス幅の大きなスイッチ制御信号によりオン制御が成され、モータ３１を一方向に回転駆動させる。この場合にはモータ３１に流れる駆動電流の導通角が大であるため、モータ３１の回転トルクは増大される。
また、前記バタフライ弁３４ｂを開弁させようとする場合には、図４に示す端子ｂに対して図５に開弁時（ｂ）として示したパルス幅の小さいスイッチ制御信号が供給される。従ってトランジスタＱ２およびＱ３は図５（ｂ）に示すパルス幅の小さなスイッチ制御信号によりオン制御が成され、モータ３１を逆方向に回転駆動させる。この場合にはモータ３１に流れる駆動電流の導通角が小であるため、モータ３１の回転トルクは減少される。
【００２６】
このような構成により、前記バタフライ弁３４ｂの閉弁に際しては、バタフライ弁３４ｂの駆動トルクが大に成され、前記リターンスプリング３４ｅによる開弁方向への付勢力に対向してバタフライ弁３４ｂが駆動される。また、前記バタフライ弁３４ｂの開弁に際しては、バタフライ弁３４ｂの駆動トルクが小に成され、前記リターンスプリング３４ｅによる開弁方向への付勢力と共にバタフライ弁３４ｂが駆動される。
【００２７】
以上、図１乃至図５に示した構成において、エンジン１が起動されると、制御ユニット１５からクラッチ制御回路１９に対して制御信号が供給される。これに伴い、バッテリー２０より流量制御ユニット１１における電磁プランジャ３２ｃに対して通電され、第１クラッチ盤３２ａが第２クラッチ盤３２ｆに結合される。一方、エンジンから流出する冷却水の温度を検出する温度検知素子１３からの温度情報が変換器１４を介して前記制御ユニット１５に供給される。
従ってエンジン１の運転により冷却水の温度が上昇すると、制御ユニット１５からは冷却水の温度に対応したバタフライ弁３４ｂの制御信号が発生し、その制御信号はモータ制御回路１８に供給され、これによりモータ制御回路１８は流量制御ユニット１１における直流モータ３１を駆動する。この結果、バタフライ弁３４ｂは目標設定温度になるよう制御され、これによりエンジンを所定の温度となるように冷却する。
ここで、制御ユニット１５においては、温度検知素子１３によって得られる実際の冷却水温度Ｔｗと、制御ユニット１５に格納されている目標設定水温、すなわち最適な冷却水温Ｔｓとを比較する。そして、その差であるΔＴ＝Ｔｗ−Ｔｓを演算し、ある一定時間経過後、その演算結果が所定よりも大きくなった場合、すなわち所定温度範囲からはずれた場合には制御ユニット１５は異常状態であると判定し、異常検知出力を発生する。
【００２８】
また、前記制御ユニット１５には流量制御ユニット１１に配置されたバタフライ弁３４ｂの回転角度の情報が角度センサ３４ｇより供給されている。そして制御ユニット１５においては、温度検知素子１３により得られる冷却水の温度情報と、角度センサ３４ｇより得られるバタフライ弁３４ｂの回転角度の情報とを常時比較演算している。
従って、角度センサ３４ｇから得られるバタフライ弁３４ｂの回転角度と、温度検知素子１３により得られる冷却水の温度情報との関係が、所定以上異なる場合においては、制御ユニット１５は異常状態と判定し、異常検知出力を発生する。この場合、制御ユニット１５には冷却水温度に対するバタフライ弁３４ｂの回転角度の許容範囲が例えばテーブル形式で格納されており、従って、比較的単純な演算プログラムにより、異常状態か否かを判定することができる。
【００２９】
前記したように制御ユニット１５において、ΔＴ＝Ｔｗ−Ｔｓの演算を成し、その結果に基づいて異常検知出力を発生させる機能に加え、前記角度センサ３４ｇより得られるバタフライ弁３４ｂの回転角度の情報も利用して異常検知出力を発生させることで、フェールセーフ機能をより充実させることができる。
このようにして異常検知出力が発生すると、この異常検知出力に基づいてクラッチ制御回路１９が動作され、流量制御ユニット１１における電磁プランジャ３２ｃに対する通電が遮断される。それ故、第１クラッチ盤３２ａと第２クラッチ盤３２ｆとの連結が解除され、これに伴い、バタフライ弁３４ｂはリターンスプリング３４ｅの作用により開弁状態になされる。従って冷却水の循環が促進され、エンジンがオーバヒート状態に至るのを防止することができる。
なお、前記リターンスプリング３４ｅによりバタフライ弁３４ｂを開弁させる場合には、減速機構３３における各平歯車およびピニオン等も駆動することとなる。しかしながらクラッチ機構が解放されている状態においては、これらを回転させるための負荷はそれ程大きなものではない。
【００３０】
次に図６は、図２に示した流量制御ユニット１１に対して、さらに熱応動部材によって制御される切離機構を配置した構成を示したものである。なお、図６において図２と同一部分または相当部分を同一符号で示しており、従ってその説明は省略する。
この切離機構３５は、減速機構３３と流量制御弁３４との間に配置されている。図６に示すようにバタフライ弁３４ｂの支軸３４ｃに対してカップ状のサーモエレメント３５ａが一体に結合されている。サーモエレメント３５ａ内には温度に依存して膨張、収縮する熱応動部材としてのワックス３５ｂが支承板３５ｃによって封入されている。前記支承板３５ｃにはロッド状のピストン３５ｄの一端が取り付けられており、ピストン３５ｄの他端はサーモエレメント３５ａに形成された縮径部３５ｅの内面に形成されたピストンガイドを通り外部に突出されている。
前記サーモエレメント３５ａにおける縮径部３５ｅの外周面は、その軸方向に直角に切断した断面形状が例えば六角形に成されている。一方３５ｆは可動体であり、その軸方向の両端側にそれぞれ内側面が例えば六角形に成され軸孔３５ｇ，３５ｈが形成されている。
【００３１】
図６に示す状態においては、前記サーモエレメント３５ａにおける縮径部３５ｅと、可動体３５ｆの軸孔３５ｇが連結された状況を示しており、互いに六角形に成され縮径部３５ｅと軸孔３５ｇとで、回転方向に結合され、かつ軸方向に摺動可能となるように構成されている。すなわち図３に示したクラッチ盤の保持と同様な構成とされている。
一方、減速機構３３における出力側回転軸３３ｄには、その軸方向に直角に切断した断面形状が例えば六角形に成された軸３５ｊが直結されており、この軸３５ｊは可動体３５ｆの軸孔３５ｈに嵌入されている。軸３５ｊと軸孔３５ｈとは、図３に示したクラッチ盤の保持と同様な構成とされ、回転方向に結合されると共に軸方向に摺動可能になされている。
そして、軸孔３５ｈ内にはコイルスプリング３５ｉが圧縮状態で収納され、可動体３５ｆをピストン３５ｄ側に押し込む方向に付勢している。
【００３２】
図６に示した構成において、サーモエレメントを３５ａには冷却媒体通路３４ａを流れる冷却水よりバタフライ弁３４ｂの支軸３４ｃを介して熱伝導される。しかし、冷却水の温度が定常の範囲にある場合においては、図６に示したように切離機構３５は連結状態を保ち、冷却水の温度に依存したバタフライ弁３４ｂの開閉動作がなされる。
ここで、冷却水の温度が異常に上昇した場合には、サーモエレメントを３５ａに収納されたワックス３５ｂが膨張し、ピストン３５ｄにより可動体３５ｆを押し上げる。
図７は冷却水の温度が異常に上昇した場合に切離機構３５が動作した状態を示したものである。すなわち、図７に示すようにピストン３５ｄの矢印Ｂ方向への移動により可動体３５ｆは押し上げられ、サーモエレメントの縮径部３５ｅと、可動体の軸孔３５ｇとの結合が切離される。
【００３３】
従って、バタフライ弁３４ｂはリターンスプリング３４ｅの作用により開弁状態になされ、従って冷却水の循環が促進され、エンジンがオーバヒート状態に至るのを防止することができる。
なお、前記切離機構３５はその熱応動部材としてワックスを用いているので、冷却水が定常温度に戻ることにより再び図６に示すように連結状態に復帰させることが可能である。
このような切離機構３５を配置したことにより、前記したクラッチ機構が解放できないような障害、または減速機構がロック状態に陥った場合等においても、終局的に切離機構３５が作動してバタフライ弁３４ｂがリターンスプリング３４ｅにより解放されるため、フェールセーフ機能を一層充実させることができる。
【００３４】
なお、以上の説明においては、冷却水の温度を検知してバタフライ弁の回転角度を制御する場合を例にしているが、これに加えてスロットルバルブの開度およびエンジンの回転数またはその他のパラメータも併用することができる。
また、前記したクラッチ機構を解放する場合においても、冷却水の温度情報と角度センサより得られるバタフライ弁の回転角度の情報とを比較演算するだけでなく、この演算にスロットルバルブの開度およびエンジンの回転数またはその他のパラメータも併用することができる。
また以上は、本発明の冷却制御装置を自動車用エンジンに適用した実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこのような特定なものに限られることなく、その他の内燃機関に適用することで、同様の作用効果を得ることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明にかかる内燃機関の冷却制御装置によると、モータの回転を減速する減速機構によって例えばバタライ弁等の流量制御弁を回転制御するようにし、内燃機関の異常検知出力を得た場合において、クラッチ機構を解放させることにより、バタライ弁をリターンスプリングによって自動的に開弁させるように構成したので、機関がオーバーヒートに至るのを防止させることができる。
また、クラッチ機構をモータと減速機構との間に配置することにより、クラッチ機構にかかる負荷を軽減させることができるため、小型のクラッチ機構を採用しつつ耐久性を得ることができる。従って装置の小型化を図ると共に信頼性を向上させることが可能となる。
さらに、減速機構と流量制御弁との間に熱応動型の切離機構を配置することにより、終局的には切離機構が動作して流量制御弁が開弁状態とされるので、フェールセーフ機能を一層充実させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る冷却制御装置における実施の形態を示した構成図である。
【図２】図１に示す装置に用いられる流量制御ユニットを一部断面状態で示した構成図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ′部分の拡大断面図である。
【図４】図１に示す装置に用いられるモータ駆動回路を示す結線図である。
【図５】図４に示すモータ駆動回路に与えられる制御信号の例を示した波形図である。
【図６】図２に示す流量制御ユニットに対して切離機構を配置した状態を示す構成図である。
【図７】図６に示す切離機構の動作状態を示した構成図である。
【図８】従来の冷却制御装置の一例を示した構成図である。
【図９】従来のバタフライ弁による流量制御装置の例を一部断面状態で示した構成図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関（エンジン）
２ 熱交換機（ラジエータ）
２ｃ 流体通路
３ 冷却水路
５ ウォータポンプ
６ ファンユニット
１１ 流量制御ユニット
１２ 冷却媒体循環路
１３ 温度検知素子
１５ 制御ユニット（ＥＣＵ）
１６ スロットルバルブ
１７ スロットルポジションセンサ
１８ モータ制御回路
１９ クラッチ制御回路
２０ バッテリー
３１ モータ（直流モータ）
３２ クラッチ機構
３２ａ 第１クラッチ盤
３２ｃ 電磁プランジャ
３２ｆ 第２クラッチ盤
３３ 減速機構
３４ 流量制御弁
３４ａ 冷却媒体通路
３４ｂ バタフライ弁
３４ｃ 支軸
３４ｅ リターンスプリング
３４ｇ 角度センサ
３５ 切離機構
３５ａ サーモエレメント
３５ｂ ワックス
３５ｄ ピストン
３５ｆ 可動体
３５ｇ 軸孔
３５ｈ 軸孔
Claims (9)
- 内燃機関内に形成された流体通路と熱交換機に形成された流体通路との間で冷却媒体の循環路を形成し、前記循環路中に冷却媒体を循環させることによって内燃機関において発生する熱を前記熱交換機によって放熱させるように構成した内燃機関の冷却制御装置であって、
内燃機関の運転状態を検出する少なくとも１つの検知センサからの検出信号に応じて制御信号を発生する制御ユニットと、
前記制御ユニットからの制御信号に基づいて、回転駆動されるモータと、
前記モータの回転数を減速する減速機構と、
前記減速機構より得られる回転駆動力により開閉動作し、前記内燃機関と熱交換機間の循環路における冷却媒体の流量を制御する流量制御弁と、
前記流量制御弁を開弁方向に付勢するリターンスプリングと、
前記内燃機関の異常検知出力を得た場合において、前記モータから流量制御弁に至る制御弁駆動系の結合を解除するクラッチ機構とを具備したことを特徴とする内燃機関の冷却制御装置。 - 前記流量制御弁は、筒状の冷却媒体通路中に配置され、冷却媒体の流通方向に対して、その平面方向の角度が可変される平板状のバタフライ弁により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の冷却制御装置。
- 前記クラッチ機構は、前記モータの回転軸と前記減速機構との間に介在されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の冷却制御装置。
- 前記異常検知出力は、冷却媒体の温度と、前記制御ユニットに格納された目標設定温度とに基づいて生成されるように構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の内燃機関の冷却制御装置。
- 前記異常検知出力は、冷却媒体の温度と、流量制御弁の回転角度との関係に基づいて生成されるように構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の内燃機関の冷却制御装置。
- 前記流量制御弁の回転角度は、流量制御弁を支持する支軸に結合された角度センサより得るように構成したことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の冷却制御装置。
- 前記流量制御弁の開弁方向への駆動時において前記モータに発生させる駆動トルクに対し、閉弁方向への駆動時において前記モータに発生させる駆動トルクが大となるように制御することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の内燃機関の冷却制御装置。
- 前記モータは直流モータであり、電源の正極端子と負極端子間に直列接続された第１と第２のスイッチング素子および電源の正極端子と負極端子間に直列接続された第３と第４のスイッチング素子によりブリッジ回路が構成され、前記第１と第２のスイッチング素子の接続中点と前記第３と第４のスイッチング素子の接続中点との間に前記直流モータの一対の駆動電流入力端子がそれぞれ接続されると共に、前記第１と第４のスイッチング素子の制御極端子に加えるパルス幅と前記第２と第３のスイッチング素子の制御極端子に加えるパルス幅とが異なるパルス幅に成されていることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の冷却制御装置。
- 冷却媒体の温度に依存して膨張、収縮する熱応動部材がさらに具備され、前記熱応動部材の膨張作用により、前記流量制御弁を支持する支軸と、前記減速機構との結合を解除する切離機構を構成し、前記切離機構の作動により流量制御弁がリターンスプリングにより開弁状態となるように構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の内燃機関の冷却制御装置。
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